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ENGINEERING HOCHVOLTKOMPONENTEN
KOMPLEXE VERNETZUNG VON
HOCHVOLTKOMPONENTEN
In der mobilen Gegenwart erhöht der Trend zum elektrifizierten Antriebsstrang die Komplexität der Produkte.
Um effiziente Hybridlösungen und elektrische Antriebsstränge abzusichern, hat Bertrandt ein Batterietestzentrum
eröffnet. Hier werden auf einem Verbundprüfplatz Gesamt- oder Teilsysteme unter verschiedenen Einflüssen
geprüft, um die Reaktionen von Einzelkomponenten im Verbund zu erfassen und zukünftige Mobilität zu
ermöglichen.
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AUTOREN
MORITZ KNEBEL
ist Lead Engineer im Bereich
E-Mobility bei der Bertrandt
Technikum GmbH in Ehningen.
JÖRG FEHRENBACHER
ist Versuchsingenieur in der Abteilung
E-Mobility bei der Bertrandt
Technikum GmbH in Ehningen.
SYSTEMINTEGRATION
Die Integration von Hochvoltkomponenten in Hybrid- und Elektrofahrzeuge
stellt nicht nur die Industrie vor große Herausforderungen.
Der Einzug der Hochvolttechnologie in die automobile
Welt stellt auch Werkstätten, Rettungskräfte und schlussendlich
die Verbraucher vor neue Aufgaben und konfrontiert sie
mit möglichen Gefahren. Beispielsweise erhält der Sicherheitsaspekt
eine neue Bedeutung, da aufgrund neuer Antriebsstränge
bei einem Unfall elektrische Spannung freigesetzt werden kann.
Die wichtigsten Punkte für den Verbraucher sind Kosten,
Reichweite, Sicherheit und Funktionalität. Die Industrie muss
zusätzlich sowohl die einzelnen Komponenten als auch die
komplette Fahrzeugumgebung betrachten und anpassen. Zur
optimalen Entwicklung und Markteinführung werden mehrere
Antriebsmöglichkeiten miteinander kombiniert. Nachfolgend
wird auf zwei Praxisbeispiele näher eingegangen:
: die Integration des Elektroantriebs als Hybridbauweise sowie
: den vollelektrischen Antriebsstrang, ❶.
Im Zuge der Hybridisierung werden Komponenten aktuell in
bestehende Fahrzeuge implementiert. Dies wird sich mit den
nächsten Fahrzeuggenerationen ändern. Mehrere Punkte, wie
beispielsweise Sicherheit und Funktionalität, spielen dabei
eine große Rolle. Es reicht heutzutage nicht mehr aus, die einzelnen
Hochvoltkomponenten getrennt voneinander zu testen,
da eine Aussage über die komplette Funktionalität mit realen
Bauteilen fehlt. Sicherlich prüfen die Hersteller den gesamten
Teil ihres Pflichtenhefts, aber Versuche mit allen realen Hochvoltbauteilen
aus dem Fahrzeug sind ein wichtiger Bestandteil
der System integration. Die Komplexität wird nicht zuletzt von
der Anzahl der einzelnen Steuergeräte bestimmt, denn ein
wesentliches Element ist die Kommunikation der Kontroller
untereinander.
Diese Flut an Informationen muss zum Teil simuliert, aber
auch durch das Einbinden realer Signale im Gesamtsystem
Mai 2013
Automotive Engineering Partners
❶ E-Maschine, Leistungselektronik sowie Energiespeicher mit On-Board-Charger
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❷ Batterietester, Batterieemulator (links) und Batterieprüfplatz (rechts)
abgebildet werden. Dabei werden diejenigen
Signale nachgestellt, deren Steuergerät
nicht im Prüfstand integriert ist.
Im Gesamt- oder auch Teilsystem werden
diverse Betriebsarten und Fehlerfälle
simuliert, um auf diese Weise die Reaktion
der einzelnen Komponenten innerhalb
des Systems zu erfassen. Jegliche
Art von Soft- und Hardwareänderung
macht solche Tests notwendig, um die
Funktion und die daraus resultierenden
Reaktionen auf bestimmte Ereignisse
erneut zu überprüfen und einen Soll/Ist-
Abgleich zu ermöglichen.
Ein weiterer Schwerpunkt ist die
Thermodynamik. Sie ist wesentlicher
Bestandteil der Tests. Die zu prüfenden
Bauteile werden vor den elektrischen
beziehungsweise funktionalen Tests in
den Klimakammern einer bestimmten
Temperatur und Luftfeuchte ausgesetzt.
Durch die Überlagerung von elektrischen
und klimatischen Umweltsimulationstests
werden Grenzwerte der Komponenten
angefahren, um deren Reaktion
bei extremen Bedingungen zu prüfen.
Als Basis werden Hochtemperatur- und
Tieftemperaturtests durchgeführt, damit
Schwachstellen im Thermo- oder im
Energiemanagement aufgedeckt werden
können. Das Ziel ist die Validierung des
funktionalen und thermischen Verhaltens
der Prüflinge, ❷.
Lage, Komponenten sowohl einzeln als
auch im Verbund zu prüfen. Dabei wird
vor oder während der Prüfung der jeweilige
Betriebszustand, also Energie- und
Kommunikationszweige, ein- beziehungsweise
umgestellt.
Bei der Einzelprüfung sind jeweils eine
Hauptkomponente (Netzemulation, Batterietester
oder Bremsmaschine) des
Prüfstands sowie ein Prüfling (On-Board-
Charger, Leistungselektronik, Hochvoltenergiespeicher
oder Antriebsmaschine)
in Betrieb. Das bedeutet, Energiezweig
und Kommunikation sind von den anderen
Zweigen abgekoppelt, ❸.
Bei der Auslegung des Verbundprüfstands
wurde darauf geachtet, dass die
Kabel- und Leitungswege möglichst kurz
beziehungsweise fahrzeugnah sind, um
Verfälschungen bei Messwerten und die
Einstreuung von Stör größen möglichst
gering zu halten oder ganz auszuschließen.
Die Prüflinge werden mit dem
Kabelsatz aus dem Fahrzeug verbunden.
Als Adaption in das Testsystem wird dieser
fahrzeugspezifische Leitungssatz an
eine Übergabebox angeschlossen, um die
Verbindung zum Prüfstand herzustellen.
Bei Teilverbund- oder Verbundprüfungen
werden die verschiedenen Betriebsarten
aus dem Fahrzeug nachgestellt. Die
Varianz bei den verschiedenen Betriebsarten
ist dabei sehr komplex und stellt
die Entwickler bei der Umsetzung der
Funktionalität des Prüfstands vor große
Herausforderungen. Der Prüfstand ist so
aufgebaut, dass sogar „Parallelbetriebsfälle“
mit mindestens zwei Prüflingen
gleichzeitig möglich sind. Bei zwei parallelen
Betriebsfällen, ❹ (links), erfolgen
die Versorgung des On-Board-Chargers
(OBC) über Netzemulation und Laden
über den Batterietester (als Senke) und
der Betrieb des Hochvolt(HV)-Energiespeichers
über Leistungselektronik und
E-Maschine. Die Bremsmaschine stellt
das Bremsmoment als Gegenmoment
dar.
Bei einem sequenziellen Verbundbetriebsfall,
4 (rechts), erfolgt zuerst die
Stromversorgung des OBC über die Netzemulation
und direktes Laden des Energiespeichers
(Laden während des Parkens).
Im Anschluss erfolgt der Betrieb
der Antriebsmaschine über die Leis-
FUNKTION DES
VERBUNDPRÜFPLATZES
Die Hauptkomponenten Netzemulation,
Batterietester und Bremsmaschine des
Verbundprüfplatzes sind energietreibend
und -aufnehmend. Sie versorgen die zu
prüfende Komponente zum jeweiligen
Zeitpunkt mit der angeforderten Energie,
die mechanischer oder elektrischer
Natur sein kann. Der Prüfstand ist in der
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❸ Prüfung des Hochvoltenergiespeichers
-
dieser wird über den
Batterietester geladen
oder entladen

❹ Einzeltest von OBC, Batterietester, Hochvoltbatterie, Leistungselektronik und E-Maschine (links); Verbundtest von OBC, Batterie, Leistungselektronik und
E-Maschine (rechts)
tungselektronik und den HV-Energiespeicher
(elektrischer Fahrbetrieb).
AUTOMATISIERUNGSTECHNIK
Die Automatisierungssoftware ist im Allgemeinen
das Bindeglied zwischen Prüfstandskomponenten
(Batterietester, Netzemulation
und Bremsmaschine) und
Prüflingen (On-Board-Charger, Hochvoltenergiespeicher,
Leistungselektronik und
E-Maschine). Sie steuert und überwacht
alle Komponenten sowohl prüfstandsseitig
(Klimakammern, Batterietester etc.)
als auch die Prüflinge (Hochvoltenergiespeicher,
Leistungselektronik etc.) nach
Vorgabe der Prüfabläufe. Diese werden
im Vorfeld definiert und als Ablaufsteuerung
in der Software abgebildet. Aufgrund
der komplexen Eingabemöglichkeiten
werden innerhalb des Testablaufs
die Prüflinge, aber auch der Teststand
über „harte“ (globale) und „weiche“
(Komponenten) Grenzwerte abgesichert.
Auf diese Weise sind die einzelnen
Komponenten zu jedem Zeitpunkt während
des Tests innerhalb dieser Sicherheitsgrenzen
abgesichert und die „weichen“
Grenzwerte können noch innerhalb
des Testgeschehens variabel
eingestellt werden. Es ist sogar möglich,
die variablen Grenzwerte der einzelnen
Komponenten in den Testverlauf einzubinden.
Somit ist der Testablauf auf das
reale Grenzwertverhalten einzelner
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Komponenten adaptiv und verändert sich
mit den Anforderungen und den Randbedingungen,
die von den Komponenten
vorgegeben werden.
MESSTECHNIK
Ein wesentlicher Bestandteil des Verbundprüfplatzes
ist die Messtechnik,
denn damit sind alle prüfstandsseitigen
Komponenten ausgerüstet. Die Messwerte
der Prüflinge werden in Messracks
erfasst, die in direkter Nähe zu ihnen
stehen. Diese Messracks erfassen Niedervoltspannungen,
Hochvoltspannungen,
Ströme und Temperaturen der Prüflinge.
Alle Werte werden in der Automatisierungssoftware
festgehalten, bearbeitet
und überwacht. Gleichzeitig werden
diese Messdaten zeitsynchron respektive
mit einem Zeitstempel auf einem Server
abgelegt, um sie später auszuwerten.
Dadurch werden bei der Auswertung die
Signale beziehungsweise Messwerte auf
einer Zeitschiene visualisiert, um Reaktionen,
Abläufe oder Abschaltungen besser
auszuwerten.
NETZEMULATION
Die Netzemulation, ❺, stellt alle weltweiten
Versorgungsnetzformen bereit.
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TECHNISCHE DATEN NETZEMULATION
Ausgangsspannung
0 bis 300 V AC
Maximalstrom einphasig 240 A (Peak 960 A)
Maximalstrom dreiphasig 80 A (Peak 320 A)
DC-Ausgang einphasig Leistung: 15 kW
Spannung: 212 V
Strom: 120 A
DC-Ausgang dreiphasig Leistung: 5 kW
Spannung: 212 V
Strom: 40 A
TECHNISCHE DATEN BATTERIETESTER
Spannungsbereich
0 bis 800 V DC
Strombereich
+/- 600 A
Leistung
160 kW
Stromanstiegszeit